공작기계 베어링(16)

일본 고속 정밀 베어링의 기술동향과 시험 방법에 대한 기초적인 내용으로 참고가 될 수 있다고 생각하여, 일본 NSK 논문 내용을 발췌하여 기술한다.
 
< 제 1보 >

일본 공작기계 주축의 기술 개발과 향후 과제(NSK 일본 정공)
1. 개략 내용 
공작기계 주축은 1975년 이후, 머시닝센터의 개발에 의하여 절삭효율의 향상을 과제로, 고속화의 요구가 급격하게 높아졌으며, 고속화 기술을 중심으로 발전했음.
이후, 고정밀도화, 고강성화 및 신뢰성 향상 등의 폭 넓은 요구가 나오게 되었다. 여기서는 주축 고속화의 변이, 향후의 기술과제에 대하여 기술함과 아울러, 최신의 주축 기술에 대하여 소개함.

2.주축의 고속화

2.1 주축 고속화의 추이
그림 1은 주축 고속화의 변천을 표시한 것이며, 주축 베어링의 dmN 값은 해마다 증가함과 함께, 절삭 속도 요구에 대응하며 비약적으로 발전하였다. 고속화의 진전과 함께 중요한 기술로서, 그리스 윤활 및 에어오일 윤활, 더 나아가 제트 윤활 등의 윤활 방법의 개량, 세라믹 재료를 베어링에 적용하는 설계 수법, 해석 기술의 고도화를 들수 있음.

1982년 이후, 일본 국제 공작기계 전시회에서 고속 주축 (10000 rpm 이상)의 출품 조사 결과를 나타낸다. JIMTOF2012년을 시작으로 수년간 고속화의 진전이 두드러지게 진행되었으며, 최고 회전속도 12000 rpm 전후 및 20000 rpm 전후로 집중되어 있다. 기계 전체의 특징으로서, 머시닝센터로 말하자면 주축(공구 측)의 선회 구조, 테이블(공작물측)의 선회 구조를 적용한 5축 가공기의 출전이 증가하였으며, 항공기 부품, 금형의 가공
용으로서 사용하는 경우에는 고효율가공을 달성하기 위한 고속주축이 탑재되었다. 복합선반의 경우에는, 밀링 주축으로서 고속화의 경향이 두드러짐.

주축내부에 구동용 모터를 탑재하고, 빌트인 모터의 주축은, 고속 주축엔 반드시 필요한 기술로서 상용화가 되었으며, 초고속화의 달성을 위해서는, 로터 및 스테터의 고속화, 고출력화, 소형화가 요구되어진다. 또한, 최근에는 환경, 에너지 절감에 대응 할 수 있는 그리스 윤활에서의 고속화, 신뢰성 향상을 위한 요구도가 높아지고 있음.

2.2 고속 베어링 기술

최근, 공작기계의 회전체는, 소형화의 경향을 보이고 있으며, 고출력의 로터를 내장한 빌트인 모터 타입의 주축의 채용이 많아지고 있음.
그러나 이러한 주축의 구조의 경우, 급격한 회전의 변화의 경우, 즉 모터의 발열변화, 하우징 냉각 방식의 한계가 있기 때문에, 주축 베어링에 영향을 주어 베어링이 손상되는 경우가 있음.

이러한 열적 환경 부하에 대하여, 로바스토 베어링은 베어링에서 발생하는 발열량이 최소가 될 수 있도록 내부 설계가 최소가 될 수 있도록 최적화 설계가 된 Robust 시리즈를 개발하였음.

여러 가지 절삭 조건, 회전속도 변화의 가공조건에서, 주축 내부의 온도변화가 발생하는데, 이와 함께 베어링 내/외륜 온도차에 의해서, 내부 틈새가 감소하고, 볼과 내외륜 궤도면의 접촉각도가 급격한 변화와 더불어 내부 예압이 증가하여, 내/외륜 궤도념과 볼간의 구름 접촉간의 PV 값(P: 접촉 면압, V: 미끄럼 속도)이 증가함.

Robust(그림 2) 베어링은, 볼 직경,내/외륜 궤도면 곡률 반경 비, 접촉각도 등의 환경 인자를 변수로 한 컴퓨터 해석과 함께, 아래와 같은 조건에서 PV 값의 변화를 최소한 제어한 내부 사양으로 보임.